Dania Soguero González1, Jorge Castillo Álvarez2 y Luis Felipe Desdín García1 (1) Centro de Aplicaciones Tecnológicas y Desarrollo Nuclear (CEADEN). La Habana, Cuba. (2) Centro Nacional de Seguridad Nuclear (CNSN). La Habana, Cuba
Cita: Soguero-González D, Castillo-Álvarez J, Desdín-García LF. Sistema de seguridad para elaborar nanopartículas de carbono a escala de laboratorio. Rev. salud ambient. 2012;12(1):46-51
Recibido:17 de enero de 2012. Aceptado: 21 de mayo de 2012. Publicado: 28 de junio de 2012
Autor para correspondencia: Dania Soguero González. Centro de Aplicaciones Tecnológicas y Desarrollo Nuclear (CEADEN). Calle 30 No. 502, Esq. 5ta Ave, Miramar, La Habana, Cuba. P.O.B. 6122, www.ceaden.cu, Tel: 53 – 7 – 2023139, Fax: 53 – 7 – 2021518.
Correo e: [email protected] Financiación: Ninguna
Declaración de conflicto de intereses: Los autores declaran que no tienen ningún conflicto de intereses en relación con la publicación del presente artículo.
Resumen
Las nanopartículas de carbono (NPC) han sido de las más utilizadas, debido a sus propiedades. Muchas de estas propiedades que hacen tan útil a las NPC también pueden hacerlas tóxicas para las células y el organismo y por lo tanto deben ser manipuladas con precaución. El Centro de Aplicaciones Tecnológicas y Desarrollo Nuclear (CEADEN) está desarrollando un programa de inves- tigación que incluye la síntesis NPC usando el método de descarga de arco sumergida en agua. En este trabajo se describe el sis- tema de nanoseguridad implementado en los laboratorios del CEADEN para el desarrollo de las mejores prácticas con NPC. Dicho sistema se construyó sobre la base de un análisis de seguridad. Se usó el método ¿Qué pasa si? y un procedimiento que emplea un árbol de decisiones que permite clasificar los laboratorios en clases de acuerdo a niveles de peligrosidad. Se identificaron los peligros de importancia significativa. Para la estimación del riesgo de estas se construyó una matriz Probabilidad/Consecuencia, donde se reflejó el riesgo asociado a cada uno de los eventos analizados y se clasificó en las categorías de alto, medio y bajo riesgo. Finalmente, se procedió a implementar las medidas de protección personal, técnicas y organizativas definidas a partir del análisis de riesgo efectuado en forma de procedimientos.
Palabras Claves: nanotecnología, nanopartículas, seguridad, prácticas, laboratorio
Abstract
Carbon nanoparticles (CNPs) are among the most extensively used nanoparticles, because of their unique and superior proper- ties. However, many of the properties that make CNPs so useful can also make them toxic to cells and organisms and, therefore, they should be treated with caution. The Center for Technological Applications and Nuclear Development (CEADEN) is currently carrying out a research program that includes synthesis of CNPs using submerged arc discharge in water. This article describes the nanosafety system implemented in the laboratories of CEDAEN to promote the best practices with CNPs. This system has been based on a prior safety analysis. The ‘What if’ method was used in combination with decision tree analysis to classify laboratories according to relative danger levels, so-called biological safety levels. The significantly important dangers were identified. Risk as- sessment of these dangers was undertaken using a Probability/Consequence matrix that reflected the risk associated with each of the events analyzed, which were then classified into three categories of high, medium and low risk. Finally, the protective, technical and organizational measures defined from the risk analysis were implemented in the form of safety procedures.
Keywords: nanotechnology, nanoparticles, safety, practices, laboratory
Resumo
As nanopartículas de carbono (NPC) têm sido das mais utilizadas, devido às suas propriedades. Muitas destas propriedades que as tornam tão úteis também as podem tornar tóxicas para as células e para o organismo e por isso devem ser manipuladas com precaução. O Centro de Aplicações Tecnológicas e Desenvolvimento Nuclear (CEADEN) tem em curso um projeto de investigação
INTRODUCCIÓN
Las nanociencias están entre las áreas de investiga- ción de crecimiento más vertiginoso debido a sus po- tenciales aplicaciones. Sin embargo, muchas de las pro- piedades que hacen útiles a los nanomateriales pueden, de igual forma, constituir fuentes potenciales de riesgos1. Estos se relacionan con la toxicidad, reactividad química, incendio y explosión2.
A escala nanométrica se manifiestan fenómenos de naturaleza cuántica que difieren notablemente de los observados a escala macro. La toxicidad de los nanoma- teriales depende de las concentraciones, dimensiones, formas, cristalinidad, agregación, química superficial y tipo de célula con la que interactúan3, por lo que su eva- luación requiere un análisis casuístico.
Desafortunadamente, los datos referentes a la nano- toxicidad son aún escasos, con frecuencia controversiales y el número de nuevos tipos de nanomateriales crece rá- pidamente. Por otra parte, aún son pocas las regulaciones o estándares de que se dispone para evaluar sus efectos toxicológicos4. También existen dudas de si los test dise- ñados para evaluar una sustancia en estado microscó- pico resultan apropiados para iguales fines cuando esta se encuentra en estado nano5. En este escenario, resulta prudente considerar que todos los nanomateriales pue- den ser potencialmente dañinos a menos que se obten- ga la información suficiente para probar lo contrario6.
Entre los nanomateriales más promisorios se encuen- tran los nuevos alótropos del carbono. El descubrimiento del C60 fue el primer paso7 en el conocimiento de nue- vas nanoestructuras carbonáceas. Esta familia ha segui- do creciendo con los descubrimientos de los nanotubos de paredes múltiples8 (MWNT*), nanotubos de pared simple9 (SWNT), nanocebollas10 (CNO), nanocuernos de pared simple11 (SWNH) y otras nanopartículas. Dichas nanoestructuras han sido también dotadas de función, derivadas e incluidas en numerosos productos sintéticos compuestos (composites). Tales nanomateriales exhiben * Las siglas corresponden a la denominación en lengua inglesa.
potenciales aplicaciones en variados campos de la activi- dad humana12-17. Sin embargo, también se han reportado estudios que indican algunos efectos adversos como re- sultado de la exposición a estos18-20.
Existen variados procedimientos de síntesis de na- nopartículas de carbono21,22 (NPC). Todos ellos entrañan riesgos de exposición por inhalación, contacto dérmico o ingestión23. Entre dichos procedimientos se destaca por su sencillez, economía y versatilidad la descarga de arco sumergida (DAS), que consiste en provocar una descarga de arco entre dos electrodos de grafito sumergidos en agua destilada24. La burbuja de gases producida actúa en calidad de reactor donde se sintetizan las NPC. Los com- ponentes gaseosos consisten fundamentalmente en H2 y CO ambos inflamables y el segundo tóxico25. La síntesis se produce con altas corrientes (30 - 100 A).
En el proceso se forman MWNT, CNO y otras estructu- ras de dimensiones nanoscópicas y potencial toxicidad. La naturaleza hidrofóbica de los CNO determina que es- tos floten, mientras que el resto de las nanoestructuras precipiten26. Los productos se separan por decantación durante 24 h después de concluida la síntesis y finalmen- te se purifican en un horno en presencia de aire a 400 0C durante 1 h. El resto de las operaciones (caracterización, funcionalización, derivatización y elaboración de compo- sites, etc.) resultan típicas para el trabajo con NPC.
De la información disponible sobre la toxicidad de las NPC y las peculiaridades del método DAS, se infiere la pertinencia de adoptar medidas de seguridad cuan- do este sea empleado. Para ello se requiere, como pri- mer paso, la caracterización del riesgo que representan las NPC para la salud humana27. Como segundo paso se emplearán métodos de análisis de riesgos que permitan identificar las circunstancias que pudieran conducir a una cadena de eventos que desemboque en la materiali- zación de una exposición potencial. Y finalmente, a partir de la evaluación de los riesgos de ocurrencia de las ex- posiciones potenciales, se adoptarán las medidas de ca- rácter técnico, organizativo y de protección personal que garanticen las mejores prácticas en el trabajo con NPC.
que inclui a síntese de NPC usando o método de descarga de arco submergida em água. Neste trabalho descreve-se o sistema de nanosegurança implementado nos laboratórios do CEADEN para o desenvolvimento das melhores práticas com NPC. O refe- rido sistema foi elaborado tendo como base uma análise de segurança. Aplicou-se o método “What If?” e um procedimento que utiliza uma árvore de decisão para a classificação de laboratórios em classes de acordo com os níveis de perigo. Identificaram-se os perigos de importância significativa. Para a estimativa do risco construiu-se uma matriz probabilidade/consequência, onde se refletiram os riscos associado a cada um dos eventos analisados sendo classificados nas categorias de alto, médio e baixo risco. Finalmente, procedeu-se à implementação das medidas de proteção pessoal, de engenharia e organizacionais definidas a partir da análise de ricos na forma de procedimentos.
La lógica descrita previamente se aplicó a la elabora- ción del sistema de nanoseguridad implementado en el Centro de Aplicaciones Tecnológicas y Desarrollo Nuclear (CEADEN) para garantizar las mejores prácticas con NPC obtenidas a partir del método de síntesis DAS. En el pre- sente trabajo se describe y fundamenta dicho sistema de nanoseguridad.
MATERIALES Y MÉTODOS
Para elaborar el sistema se partió del análisis de se- guridad del proceso. Se evaluó la factibilidad de aplicar los métodos que se emplean en el análisis de riesgos28: Riesgos y Estudios de Operabilidad (REO), Modos de Fallo y Análisis de Efectos (MFAE), ¿Qué pasa si? y Árboles de Fallo (AF). El análisis de factibilidad descartó los métodos REO, MFAE y AF ya que la revisión de la bibliografía sobre la toxicidad de los nanomateriales implicados en los pro- cesos indicó que la información disponible actualmente era insuficiente para aplicar las herramientas de dichas técnicas, lo que imposibilitaba establecer valores umbra- les límites precisos. Además, en el caso hipotético de que se dispusiese de los datos necesarios, la versatilidad del método DAS y la variedad de experimentos en un entor- no académico exigiría un gran volumen de trabajo y una alta demanda de personal especializado.
El análisis de seguridad se realizó empleando el mé- todo ¿Qué pasa si?, método de carácter inductivo que utiliza información específica de un proceso para gene- rar una serie de preguntas que son pertinentes durante el tiempo de vida de la instalación, así como cuando se introducen cambios al proceso o a los procedimientos de operación. Consiste en definir tendencias, formular pre- guntas, desarrollar respuestas y evaluarlas, incluyendo la más amplia gama de consecuencias posibles. El método utiliza información específica del proceso, como diagra- mas, para generar preguntas en una lista de verificación. Un equipo de expertos elabora dicha lista empleando la pregunta ¿Qué pasa si?, las cuales son contestadas colec- tivamente y resumidas en forma de tablas. El propósito del método consiste en: I) identificar las condiciones y situaciones peligrosas que puedan resultar de barreras y controles inadecuados, II) reconocer aquellos eventos que pudieran provocar accidentes mayores y III) efectuar las recomendaciones pertinentes para reducir el riesgo de la instalación, así como mejorar la operación de la mis- ma.
Para desarrollar la evaluación de seguridad se tomó como referencia la información disponible en artículos científicos y patentes, la documentación que describe los procedimientos de operación de las instalaciones y el análisis de la seguridad de cada paso de estos. La evalua-
ción de riesgo comprendió tres etapas: I) identificación de peligros, II) estimación cualitativa de riesgos asocia- dos a cada peligro y III) valoración cualitativa del riesgo.
En paralelo se usó un método29 basado en un “árbol de decisiones” que permite clasificar los laboratorios en clases de acuerdo a niveles de peligrosidad, en corres- pondencia con enfoques análogos aplicados en los labo- ratorios con riesgos biológicos, químicos o radiactivos. El siguiente paso de este método consiste en adoptar una lista de medidas de prevención/protección (barreras de seguridad) acorde a cada nivel.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En un primer paso se aplicó el método ¿Qué pasa si? al proceso DAS y se identificaron los peligros presentes (Tabla 1). Cada peligro fue registrado con un código para facilitar el análisis posterior acorde a su naturaleza (carác- ter laboral común o específico al trabajo con nanopartí- culas) y conforme a la etapa concreta del proceso.
La estimación del riesgo se realizó sobre la base del criterio de siete expertos, valorando la probabilidad de ocurrencia y la magnitud de las consecuencias de los distintos eventos, considerando que están implementa- das todas las medidas de seguridad, tanto organizativas, como tecnológicas previstas en el proceso.
A partir del análisis previo se seleccionaron los peli- gros de importancia significativa. Para la estimación del riesgo se construyó una matriz probabilidad/consecuen- cia, donde se reflejó el riesgo asociado a cada uno de los eventos analizados y se le clasificó en las categorías de alto, medio y bajo riesgo (Tabla 2). La probabilidad de ocurrencia de un incidente (contaminación y exposición) fue evaluada con un valor medio, con una fuerte depen- dencia del factor humano y en especial de la capacita- ción del personal. De todos los escenarios identificados, los mayores riesgos correspondieron al derrame de líqui- do con NPC en el paso de obtención de CNO por decan- tación y al derrame de líquido con NPC en el transporte a los laboratorios de caracterización. La inhalación y el contacto con la piel fueron identificada como las rutas de exposición más importantes.
Paralelamente se aplicó el método de “árbol de de- cisiones” a partir de su algoritmo básico. Sobre la base de la elevada productividad del método DAS que llega a alcanzar una 120 mg/min de NPC en forma de suspen- siones acuosas posteriormente llevadas a nanopolvos factibles de generar aerosoles se llegó a la conclusión de clasificar el laboratorio de síntesis de NPC por el método DAS en clase tres por su nivel de peligrosidad.
Tabla 1. Identificación de peligros de importancia significativa a partir del análisis de operaciones durante los proceso de síntesis y purificación.
No. ¿Qué pasa si? Causa Consecuencias Medidas de Seguridad Observaciones
1 No uso del VAL NE I de CO, H2 y NPC
+ PP CP + LC Reforzar medidas organizativas
2 No se bajar tapa de CQ al inicio experimento. NE I de CO, H2 y NPC, CP + EF Automatizar sistema para blo-quear funcionamiento. 3 No se conecta la ECQ NE, DT I de CO, H2 y NPC. CP + LC + EF Automatizar sistema para blo-quear funcionamiento 4 No se chequea estado de conexión de la electrónica y la electricidad. NE, DT a personal. DL con Descarga eléctrica
NPC. CP + LC + EF Reforzar medidas organizativas. 5 No se mantiene los rangos de tem-peraturas y nivel de agua adecua-
dos o la refrigeración. NE, DT
Hierve el agua, contaminación de
instalación. I + PP CP + LC + EF
Automatizar control para blo- quear funcionamiento 6 Desconexión prematura de ECQ y apertura CQ NE, DT I de CO, H2 y NPC.
PP CP + EF
Automatizar sistema para bloquear funcionamiento en
ausencia ECQ 7 no se espera el enfriamiento del En el proceso de decantación
recipiente. CEA
Quemadura, de- rrame y disper-
sión de NPC CP + EF
Potencial accidente laboral. Boti- quín primeros auxilios. 8 DL con CNP en proceso de separa-ción CEA superficies. I + PPContaminación CP + EF Listos medios de descontami-nación. 9 No se realiza limpieza del local al concluir los trabajos. NE, CEA
Transporte conta- minación con CNP
hacia otras áreas. I + PP
LC Reforzar medidas organizativas
10 No cambiarse el VAL al terminar los trabajos. NE, CEA nación hacia otras Llevar la contami-
áreas. I + PP CP + EF Reforzar medidas organizativas 11 pientes y medios con los que se No se descontaminan los reci-
manipularon las NPC NE
Contaminación y transporte a otras
áreas. I + PP LC Reforzar medidas organizativas
12 DL con CNP durante traslado a los laboratorios de caracterización. CEA Contaminación de otras áreas y del vestuario. I + PP
Recipientes con tapas LC
+ EF
Listos medios de descontami- nación.
Nota: Abreviaturas: CEA – carencia de entrenamiento apropiado, CP – capacitación del personal, CQ – campana química, CV – contaminación del vestuario, DL – derrame de líquido, DT – desperfecto técnico, ECQ – extracción de la campana química, EF – ensayos en frio (simulacros del experimento sin NPC), I – inhalación, LC – lista de chequeo de operaciones a ejecutar, NE – negligencia, PP – penetración de NPC por la piel, VAL – Vestuario apropiado de laboratorio que incluye los medios de protección.
La aplicación de ambos métodos condujo a resulta- dos semejantes en la determinación de los medios de protección personal y medidas técnicas y organizativas. En el caso de las técnicas se concluyó que: i) la ventila- ción deberá ser garantizada por un diseño de laboratorio químico con un reciclaje del aire de 5 – 10 veces por hora, filtraje de aire de salida con filtro F7 con mantenimiento periódico, baja presión en el local (> 20mPa) y captura en la fuente. ii) El piso deberá estar recubierto de linó- leo o resina. iii) El acceso de trabajo al local deberá estar restringido y existirá un registro de las personas que han
estado presentes en los locales (potencialmente expues- tas). iv) Una exclusa y existencia de ducha de seguridad. v)En caso de usar aspiradoras para la limpieza, deberán ser del tipo empleado para la limpieza de fibras de as- bestos.
Los medios de protección personal exigidos consis- ten en: i) Gafas de protección. ii) Empleo de nasobuco (mascarilla). iii) Uso de bata de mangas largas. iv) Prohibi- ción del uso de calzado abierto. v) Protección de las ma- nos con guantes desechables.
Tabla 2. Matriz Probabilidad/Consecuencia para los peligros de importancia significativa
Consecuencia Probabilidad
Baja Media Alta
Baja
No.11 No se desconta- minan los recipientes y
medios con los que se manipularon las NPC
No.4 No se chequea estado de conexión de la electrónica y la electricidad.
No.7 En el proceso de decantación no se espera el enfria- miento del recipiente.
Media
No.1 No uso del VAL.
No.2 No se bajar tapa de CQ al inicio experimento. No.3 No se conecta la ECQ.
No.6 Desconexión prematura de ECQ y apertura CQ. No.9 No se realiza limpieza del local al concluir los trabajos.
No.10 No cambiarse el VAL al terminar los trabajos.
Alta
No.8 DL con CNP en proceso de separación. No.12 DL con CNP durante traslado a los laboratorios de
caracterización.
Nota: La numeración de los peligros se corresponde con los eventos identificados en la Tabla 1 y las abreviaturas empleadas son las mismas.
En el aspecto organizativo se deberá definir una per- sona responsable de la nanoseguridad en el laboratorio, establecer el control de ordenamiento y recepción de materiales con sus puntos de recolección, la restricción de mujeres embarazadas al trabajo con nanomateriales, así como las siguientes medidas: i) Restricción del tra- bajo con nanopartículas solo al área autorizada. ii) En el tratamiento del material contaminado, se deberá prever recipiente para recepcionar material contaminado, bol- sas plásticas para materiales contaminados con espesor mayor a 100 micrones y la disponibilidad de contenedo- res para su almacenamiento. iii) La eliminación de sus- tancias con nanopartículas en forma liquida y sólida se realizará con empaquetamiento doble. iv) la evacuación de residuales en los sistemas de tratamiento de residua- les domésticos se prohíbe, debiéndose realizar a través de canales de tratamiento especiales. v) El transporte de nanomateriales se deberá hacer con empaquetamientos dobles.
El proceso de limpieza deberá ser realizado por per- sonal del laboratorio empleando medios húmedos ex- clusivamente y con el empleo de los mismos medios de protección que se determinaron para el trabajo con nanopartículas y bajo la supervisión del responsable del laboratorio.
Finalmente se procedió a implementar las medidas de protección personal, técnicas y organizativas defini- das a partir del análisis de riesgo efectuado, en forma de